(57)【要約】      （修正有）【課題】クー音の発生を防止すること。【解決手段】相対回転する内輪４と外輪２との間に複数のころ６が転がり可能に保持器８のポケットに保持されているころ軸受であって、ラジアルすきまとの関係で作られるころ６のスキューにより内輪４と外輪２ところ６とが拘束されて外輪２ところ６との微小な接触部の弾性を弾性手段とし、両輪のうち自由可動側を質量とする振動系に対して、振動系の固有振動数ｆｃが軸受の実用範囲外となるよう自由可動側の質量ｍを設定して振動系の共振が構成されないようにした。【選択図】図６
2005121192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対回転する内輪と外輪との間にころが転動可能に保持器に保持されているころ軸受であって、両輪がスキューしたころにより拘束されたときに外輪ところとの微小な接触部の弾性を弾性手段とし、かつ、両輪のうちの自由可動側を質量として形成される振動系に対して、駆動系の固有振動数が当該ころ軸受の実用範囲外となるよう自由可動側の質量を設定して振動系の共振が構成されないようにした、ことを特徴とするころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用変速機、産業機械、電気機器等において、例えば歯車からなる外輪と軸体からなる内輪との間の環状空間に保持器に保持されたころを転動自在に装着してなるころ軸受に関し、特にクー音と呼ばれる騒音の発生防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
ころ軸受あるいはころ軸受が装着された装置から発生する騒音の種類として、「クー音」と呼ばれるものがある。これは、回転速度やその倍数に比例した周波数ピークを有して回転速度の変化に伴なって音質が変化する騒音と異なるもので、概ね一定の周波数、すなわち４００ないし５００Ｈｚ付近の周波数を有する音である。
【０００３】
その発生を防止するための従来技術も特許文献１および特許文献２など、種々提案されている。しかしながら、本発明者らが研究したところ、これら従来技術の何れもがクー音発生のメカニズムに対しての解明が不充分なままである。したがって、クー音の発生を充分に防止ないし制御し得ない。
【特許文献１】実開昭６１−１６６２２９号
【特許文献２】特開昭５４−０５３７３５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はクー音の発生メカニズムを解明し、その解明に基づいてクー音の発生ないし抑制を可能にしたころ軸受を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のころ軸受は、相対回転する外輪と内輪との間にころが転動可能に、保持器のポケットに保持されており、ころがスキューしたときの両輪がころにより拘束されて、外輪ところとの微小な接触部の弾性を弾性手段とし、かつ両輪のうちの自由可動側を質量として形成される振動系に対して、振動系の固有振動数が当該ころ軸受の実用範囲外となるよう自由可動側の質量を設定して振動系の共振が構成されないようにした。
【０００６】
クー音は他の騒音と異なり、概ね一定の周波数ピークを有していることが特徴である。クー音の他の特徴として、発音時にころ軸受が軸方向に振動する、外輪が回転するか内輪が回転するかにかかわらず両輪の回転速度が異なる場合に発生する、ころ軸受に負荷されるラジアル荷重が比較的小さい場合でころが転がる場合に発生する、潤滑条件が厳しい場合に発生しやすい、といったことが挙げられる。
【０００７】
本発明者らは、このようなクー音について研究した結果、このクー音の発生メカニズムを解明した。すなわち、クー音の発生メカニズムには、下記に示す軸方向振動系と、軸方向駆動系とに大きくかかわっている。
【０００８】
まず、軸方向振動系を説明する。ころ軸受はラジアルすきまが存在するので、無負荷の場合にすきまを埋めるようにころにスキューが発生し、その結果外輪と内輪とが拘束され、それらの軸線は一致するよう位置するものである。このとき、ころと外輪、ころと内輪の接触部位それぞれについて、ころの軸線と直交する断面を、外輪あるいは内輪の軸線と平行な面に投影すれば、両端に車輪を装着した車軸に近似した特殊な形状のころを有し、複列玉軸受の外輪に相似した外輪を有する転がり軸受が想定されることになる。
【０００９】
ここで、ころと外輪とに着目すれば複列玉軸受の構造と同様に、軸方向に荷重を負荷すると接触部が弾性変形し、荷重の大きさに比例して軸方向に外輪と内輪とが相対変位する一種の（軸方向振動系の）バネが形成されることになる。
【００１０】
さらに、ラジアルすきまが存在しないので、軸方向で０を中心とした
ｍ・（ｄ２Ｘ／ｄｔ２）＋Ｋ・Ｘ＝０
で表される振動系が得られる。ここで、例えば内輪を軸方向に固定し外輪が軸方向に自由可動であるとしたとき、ｍは外輪の質量、Ｋはバネ定数、Ｘは外輪と内輪との軸方向の相対変位、ｔは時間を表す。
【００１１】
なお、ころがスキューした状態で内輪がころを駆動するよう回転すると、ころを軸方向に移動させる駆動力（転がり摩擦力）が発生する。しかし、この場合、内輪が軸方向に固定されているとすると、軸受中心軸に対するころのスキューの傾き方向によっては外輪を軸方向に移動させようとする力の方向が相反することになる。全周上でスキューの傾き方向はランダムであるが、総合すれば軸方向一方へ向かう力となるので、軸方向に移動させる力としては、方向が繰返し反復する振動の性質を有しない。
【００１２】
次に、軸方向駆動系を説明する。一般に、内輪の外周面は機械加工されるので、円周上でうねりが形成される。一方、全周のころがスキューした状態での外輪と内輪とにおいては、軸方向のバネの性質を有するとともに径方向振動系のバネの性質を有する。また、駆動の際の転がり摩擦力は、ころに負荷される荷重の大きさに比例するから内輪に形成されたうねりの山の頂点に位置したころの駆動力が支配的となる。
【００１３】
例えば軸方向に対して一方向にスキューしたころの位置にうねりの頂点が位置したとき、正方向に駆動力が作用するとすれば、内輪の回転により、うねりの頂点が軸方向に対して他方向にスキューしたころに位置したとき負方向に作用するので、これが繰返されることにより、駆動力の方向が繰返し反復する現象が発生する。このようにして軸方向駆動系の作用する強制振動が発生する。
【００１４】
このように、ころ軸受に形成される軸方向振動系ｍ・（ｄ２Ｘ／ｄｔ２）＋Ｋ・Ｘ＝０と、回転によって発生する振動強制力Ｆ（∽）とによって生じる共振現象、つまりｍ・（ｄ２Ｘ／ｄｔ２）＋Ｋ・Ｘ＝Ｆ（∽）から求められるころ軸受の変位Ｘ＝Ｆ／｛ｆ−√（Ｋ／ｍ）｝で、強制力の振動周波数ｆが固有振動数ｆｃ（＝√（Ｋ／ｍ））に近づくと、自由側軌道輪の振動が増幅し、その振動が空気中に放出伝播されてクー音となる。これがクー音発生のメカニズムである。
【００１５】
このように、クー音の発生メカニズムには、ころ軸受にラジアルすきまが存在することにより、すきまを埋めるようにころにスキューが発生して外輪と内輪とが拘束されることに根本の要因がある。
【００１６】
本発明のころ軸受では、前記振動系の固有振動数ｆｃが当該ころ軸受の実用範囲外となるよう自由可動側の質量ｍを設定して共振が実用範囲内で成立しないようにし、もってクー音の発生を防止したものである。
【００１７】
すなわち、本発明では、振動系が形成された軸受装置のバネ定数Ｋを固定値とした場合、振動系の固有振動数ｆｃが当該軸受装置の実用範囲外となるように当該自由側軌道輪の質量ｍを設定することにより、クー音の発生を防止する。この場合、振動強制力の振動周波数ｆは、外輪と内輪との相対回転速度Ｖを一定としても、両輪に存在するうねりの山数やころのスキューの傾き方向のバランス度合い等により無数の存在の可能性があり、自由側軌道輪の質量ｍを小さくして固有振動数ｆｃを大きくすることは好ましくない。実際的には、実用の最小回転速度をＮ、うねりの山数を最小の２山として１回転で１回の振動強制力があると仮定し、固有振動数ｆｃ＜最小回転速度Ｎ、したがって、質量ｍ＞Ｋ／Ｎ２となるような質量ｍを設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のころ軸受によれば、クー音の発生を防止ないしは抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の最良の形態に係るころ軸受を説明する。
【００２０】
この実施の形態においては、まず、図１ないし図５を参照して、クー音発生のメカニズムを説明し、図６ないし図８を参照して、このクー音の発生を防止する当該ころ軸受を説明することにする。
【００２１】
以下において、上述したクー音の発生メカニズムを形成する軸方向振動系と軸方向駆動系とをさらに詳しく説明する。
【００２２】
まず、軸方向振動系を説明する。図１（ａ）はころ軸受の概略構成を示す正面図、図１（ｂ）はころ軸受１の概略構成を示す側面図である。これらの図において、ころ軸受１は歯車等で構成された外輪２と、軸等で構成された内輪４と、これら外輪２および内輪４の間の環状空間５に介装されたころ６と、円周方向に複数のポケット７を備え各ポケット７にそれぞれ１個ずつころ６を保持する保持器８とを備える。これらの図では、ころ６にスキューが発生して、外輪２、内輪４およびころ６の三者が拘束された状態を示す。
【００２３】
スキューした状態にあるころ６は、その外径面が外輪軌道面１０に２点Ｓ１，Ｓ２で接触する。Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ外輪軌道面１０ところ６の外径面との接触点（接触部の中心点を示す）である。スキューした状態にあるころ６は、その外径面が内輪軌道面１１に１点Ｓ３で接触する。Ｓ３は、ころ６の外径面との接触点（接触部の中心点を示す）である。Ｓ４は接触点Ｓ１を含んでころ軸線Ｃ３に直角な直線、Ｓ６は接触点Ｓ２を含んでころ軸線Ｃ３に直角な直線をそれぞれ示す。
【００２４】
Ａ１は接触点Ｓ１について、ころ軸線Ｃ３と直交する断面を外輪２の軸線Ｃ１と平行に投影する面、Ａ２は接触点Ｓ２についてころ軸線Ｃ３と直交する断面を外輪２の軸線Ｃ１と平行に投影する面、Ａ３は接触点Ｓ３についてころ軸線Ｃ３と直交する断面を内輪４の軸線Ｃ２と平行に投影する面を示す。
【００２５】
図２は接触点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３での断面をそれぞれ投影面Ａ１，Ａ２，Ａ３に投影し、投影面Ａ３に合体させて模式的に描いた図である。図２において、１２は内径面に軸方向２つの軌道面１２ａ，１２ｂを有する投影外輪を示し、軌道面１２ａ，１２ｂはそれぞれ所定の曲率を有する。１４は外径面が所定曲率の軌道面１４ａを構成する軸方向中央部１４１と外径面が軸方向にストレートに延びる両端部１４２，１４２とを有する投影内輪、１６は軸方向楕円ころ部１６１の両端それぞれに径方向楕円ころ部１６２，１６２を有する投影ころを示す。
【００２６】
上記投影ころ１６の構造から明らかであるように、投影外輪１２の軌道面１２ａ，１２ｂは凹曲面になっていてこの軌道面１２ａ，１２ｂに投影ころ１６の径方向楕円ころ部１６２，１６２が入り込んでいるのに対して、投影内輪１４の軸方向中央部１４１の軌道面１４ａは凸曲面になっていて投影ころ１６の軸方向楕円ころ部１６１は点接触になって外接しているだけである。
【００２７】
ここで投影ころ１６と投影内輪１４とを固定し、投影外輪１２の端面を軸方向（図２の左方向）に均一な荷重Ｆで押すと、投影外輪１２は投影ころ１６両端の径方向楕円ころ部１６２，１６２との接触部で発生する弾性変形のために軸方向に変位する。
【００２８】
また、投影外輪１２の外周を荷重Ｆとは反対の方向に押すと、投影外輪１２は弾性変形して上記とは逆方向に軸方向変位する。つまり投影外輪１２と投影ころ１６との間には、軸方向の振動系が構成されている。
【００２９】
例えばころ径３ｍｍ、ころ長さ１５ｍｍ、ころ数１０本、外輪軌道内径３０ｍｍ、内輪軌道外径２４ｍｍのころ軸受１で、力Ｆと変位Ｘとの関係は図３に示すようになる。図３において、縦軸は軸方向荷重Ｆ（Ｎ）、横軸は軸方向変位量Ｘ（ｍ）である。これは、ヘルツ（Ｈｅｒｔ）の接線理論から容易に計算できる。
【００３０】
変位量を示す線１５は、微小変位範囲を線形と仮定した場合のＦとＸの関係であり、その傾きＫ（＝Ｆ／Ｘ）はバネ定数である。以上が、軸方向振動系の説明である。
【００３１】
次に軸方向駆動系を説明する。図４（ａ）（ｂ）を参照して、ころ６のスキュー角が、図４（ａ）で示すように、ころ６の正規の自転軸Ｓ１２に対して時計方向（＋）にθ１の場合と、図４（ｂ）で示すように、反時計方向（−）にθ１というように異なる場合がある。例えば内輪４が回転して、ころ６を正規の自転軸Ｓ１２に直交する方向に作用する摩擦力Ｆ１によって駆動したとき、図４（ａ）に示す場合では、ころ６は摩擦力Ｆ１が作用する方向に対して（＋）θ１に相当する角度分だけ傾斜した方向に転がろうとする。図４（ｂ）では、ころ６は摩擦力Ｆ１が作用する方向に対して（−）θ１に相当する角度分だけ傾斜した方向に転がろうとする。したがって、図４（ａ）に示す状態では、ころ６により外輪２を図の右方向Ｄ３の向きに動かそうとする強制力が発生する。図４（ｂ）に示す状態では、ころ６により外輪２を図の左方向Ｄ４の向きに動かそうとする強制力が発生する。
【００３２】
内輪４の外径面は機械加工されるので、一般に円周上でうねりが形成されている。ここで、うねりとの関係において、図５を参照して上記強制力が繰返して反復する振動強制力が発生することの理由を示す。
【００３３】
図５において、ころ６は保持器８のポケット８ａに1個ずつ収納されている。図では隣合っているころ６ａ，６ｂの方向が図４に示したように逆方向の場合で、内輪４の外径面のうねりが例えば２山であるとする。このような内輪４が回転したとき、回転に伴なってうねりの山の頂点がころ６ａからころ６ｂへ対応する位置に移動し、外輪２に対する強制力の方向が変化する。つまり方向が繰返して反復する振動強制力が発生する。
【００３４】
したがって、ころのスキューとそのスキューの方向、ならびに内輪の外径面に対するころの転がりによって、上記軸方向振動系を駆動する駆動力が発生し、この駆動力の方向が変化することによって、外輪が軸方向に振動し、これによってクー音が発生するのである。以上が軸方向駆動系の説明である。
【００３５】
本実施形態では、上述したクー音の発生メカニズムに対して固有振動数を実用範囲外となるような構造としてクー音の発生を防止ないしは抑制している。以下、図６を参照して説明する。図６（ａ）は横軸に回転速度（ｒ／ｍ）、縦軸に強制力の振動周波数ｆ（Ｈｚ）をとる図であり、図６（ｂ）は横軸に外輪２の質量ｍ（ｋｇ）、縦軸に固有振動数ｆｃ（Ｈｚ）をとる図である。
【００３６】
図６（ａ）から、回転速度の上昇に伴い振動周波数ｆが上昇していることがわかる。また、図６（ｂ）から、外輪２の質量ｍの増大に伴い固有振動数ｆｃが小さくなり、質量ｍの減少に伴ない固有振動数ｆｃは大きくなっていることがわかる。
【００３７】
図６において、実用最小回転速度がＮのとき、これに対応する固有振動数ｆｃはＡとなる。したがって、実用最小回転速度がＮのとき固有振動数ｆｃがＡよりも小さい値であれば、クー音の発生を防止ないし抑制することができる。この場合、例えば固有振動数をＡ以下とするために、例えば外輪２の質量ｍをＢ以上に設定することでクー音の発生を防止ないし抑制することができる。
【００３８】
Ｎをころ軸受の実用最小回転速度とした場合には、ころ軸受は実用最小回転速度Ｎ以下では回転しないので、本発明では、ころ軸受の実用最小回転速度Ｎ以下つまり固有振動数ｆｃがＡ以下の実用範囲外となるように外輪の質量ｍをＢ以上に設定して、振動系の共振が構成されないようにしている。
【００３９】
図６（ａ）（ｂ）からは、最小の実用回転速度Ｎが２０００ｒ／ｍ近傍であるから、外輪の質量ｍを０．４ｋｇ近傍以上に設定することにより、外輪の振動を増幅させずにクー音の発生を防止できる。
【００４０】
図７は、モータ２０の概略構成を示すもので、ケーシング２１とモータ軸２２との間にころ軸受２３が装着されている。ころ軸受２３は、外輪２４がケーシング２１に固定され、内輪２５はモータ軸２２に固定され、外輪２４と内輪２５との間にころ２６が転動自在に介装されている。このようにモータ２０に設けられたころ軸受２３においては、外輪２４と内輪２５とのうち自由可動側は内輪２５となる。この場合では、モータ軸２２と内輪２５の合計質量をころ軸受２３の最小実用範囲外に設定することにより、上記と同様に振動系の共振が構成されないようにして、クー音の発生を防止できる。
【００４１】
図８は、フライホイール３０付き回転機械の概略構成を示すもので、フライホイール３０と回転軸３１との間にころ軸受３２が装着されており、このころ軸受３２では、外輪すなわちフライホイール３０の質量を最小実用範囲外に設定することにより、上記と同様に振動系の共振が構成されないようにして、クー音の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の最良の形態の説明に用いるころ軸受を示す図
【図２】図１のころ軸受の仮想ころ軸受を示す図
【図３】外輪の軸方向変位量と軸方向荷重との関係を示す図
【図４】スキューによる転がり摩擦力の説明に用いる図
【図５】軸方向駆動系の説明に用いる図
【図６】（ａ）回転速度と振動周波数との関係を示す図、（ｂ）外輪の質量と固有振動数との関係を示す図
【図７】モータの概略構成図
【図８】フライホイールの概略構成図
【符号の説明】
【００４３】
１      ころ軸受
２      外輪
４      内輪
６      ころ
８      保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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